CN1392966A - 光转换器件 - Google Patents

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P·范德斯勒伊斯
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Abstract

本发明涉及一种转换时间更短的转换器件。该器件包括可转换层(3)，该器件通过改变转换层(3)的氢含量而在反射和吸收状态之间转换。在导电层(11、13)上施加直流电压以改变氢含量。这些导电层(11、13)中间夹持着叠层，该叠层包括可转换层(3)和氢存储层(9)。氢存储层包含与可转换层(3)相同的成分，即，LMgHx，优选为GdMgHx。存储层可以作得薄，因而得到较短的氢传输时间和较快的显示器。还可以通过使用漫射箔来进一步改进该器件。

Description

光转换器件
发明领域
本发明涉及一种光转换器件，它能可逆地至少在反射光的第一状态和吸收光的第二状态之间转换，所述器件包括叠层，叠层包括一个由可光转换材料制成的可转换层，该可转换层通过改变氢密度而使第一状态转换成第二状态。
技术背景
US 5 905 590公开了一种包括转换薄膜的转换器件，该薄膜包含镁及其它三价金属的氢化物。通过氢的交换，转换薄膜能可逆地从透明状态经由中间黑色吸收状态转换至零透射的类反射镜状态(mirror-likestate)。转换薄膜包含在位于透明基质上的叠层当中。由于光学作用的功效，该器件可用作光学转换元件，比如可变分束器、光学快门、用于控制光源中的光照度或光束形状。转换器件也可用于数据存储及光计算，以及诸如建筑玻璃、视觉控制玻璃、遮阳顶棚(sunroofs)及后视镜这样的用途。通过在转换薄膜上制造图案并为图案化的转换薄膜提供透明电极，可以生产出薄形显示器。
这些类型的器件的问题是它们相当慢，因为转换作用的速度是由氢的转移决定的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种转换器件，它具有更好的速度。为了达到这个目的，本发明的特征在于，叠层还包括一个用于存储氢的层，该层含有的材料主要包括与可转换层相同的成分。该转换材料在非透明状态下具有优良的氢存储容量。由于该器件只在反射和吸收状态之间转换，所以氢存储层可以是非透明的，而转换材料可以用作这个目的。考虑到转换材料的高存储容量，当转换材料也用作存储层时，存储层可以作得薄一些，这缩短了氢转移的扩散时间因而提高了器件的转换速度。而且，为了在反射和吸收状态之间转换，需要转移的电荷减少了，即，转换所需的电流减少了。
在从属权利要求中描述本发明的优选实施例。
下面结合后文所述的实施例说明本发明的这些和其它方面。
附图说明
在附图中，
图1A、1B是现有技术的转换反射镜显示器的叠层的剖面图；
图2是现有技术的转换反射镜显示器的像素元件的剖面图；
图3A、3B表示本发明的转换反射镜显示器的叠层；
图4是本发明的转换反射镜器件的像素的剖面图。
基本上，相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
图1A、1B是现有技术的转换反射镜器件的剖面图。层厚度不是按比例制图的。该器件包括透明玻璃板1，用诸如真空蒸发、溅射、激光消融(laser ablation)、化学汽相沉积或电镀这样的传统方法把叠层设置在该玻璃板上。叠层包括：LMgHx的层3，作为转换薄膜，厚度约为200nm(L表示Ni，Sc或Y或者从元素周期表中选出的镧系元素)；钯层5，厚度约为5nm；离子传导(ion-conducting)电解质层7，厚度为0.1-10μm；以及氢存储层9。
就所关心的光学特性和转换时间而言，GdMgHx是很适合的转换材料，但也可以使用其它三价镁-镧合金。转换薄膜3能经由中间氢成分而在低氢(x＜～2)成分和饱和的高氢(x～5)成分之间可逆地转换。各种成分具有不同的光学性能。氢的含量低，薄膜就具有金属特性并且是不透明的。那么薄膜就像反射镜一样反射光线。氢的含量高，薄膜3是半导体并且是透明的，而在中等氢浓度时，转换薄膜是吸收的。
钯层5用于增加氢化或非氢化的比率，从而增加转换速度。也可以使用其它电子催化金属或合金，例如铂或镍。另外，该金属层保护下面的转换薄膜3以抵抗电解质的侵蚀。钯层5的厚度可以在2-25nm之间。但优选2-10nm的薄层，因为薄膜的厚度决定了转换器件的最大透射。
为了起到正确的作用，还需要H存储层9和H离子传导电解质层7。良好的H离子传导电解质是ZrO2Hx。电解质必须是良好的离子传导体，但它必须是电子的绝缘体以便防止器件的自动放电。为使器件简化，最好使用透明的固体电解质；它们防止密封问题，并使器件易于操作。
如果需要转换反射镜的透明状态，WO3是存储层的良好选择。
叠层夹在，例如，铟锡氧化物(ITO)的两个透明导电电极层11、13之间。电极层11、13连接到一个外部电源(未示出)。通过施加直流电流，低氢、类反射镜成分转变成透明和中间灰度的高氢成分。如图1A中虚线所示的那样，现在器件是一个透明的窗口。当电流反向时，转换薄膜3变成低氢状态，如图1B所示，这个状态是反射镜状且是不透明的。转换时间可与传统的电致变色器件相比。可以在室温下操作该器件。一旦反射镜达到希望的光学状态，实际上没有电流会流过器件。这意味着该显示器会以低功率保持信息。
从与其上设置着叠层的基片那侧相对的基片一侧观看显示器。现有技术的转换反射镜器件的问题在于，如图2中所示，在像素元件20的可观看侧24，即，观看显示器的那侧，所谓有源矩阵的元件22是可以看到的。这个有源矩阵(薄膜晶体管，行，列，存储电容器等)包括切换像素元件所必需的电子元件。有源矩阵嵌入嵌入层26，它也包含在像素元件中。有源矩阵与电极层13、15电连接。绝缘层28使有源矩阵元件22与叠层绝缘。
在现有技术的结构中，被有源矩阵占据的表面面积不能用于光活性层3。如果从可见到的一侧24看显示器的话，这减小了显示器的孔径(aperture)。具体地，由于驱动电路相当复杂，以及因此而把晶体管制造得相当大以便对付为转换反射镜显示器充电所需的高电流，孔径相当小。
图3A、3B表示本发明的转换反射镜显示器的叠层。在这种情况下，显示器是从其上设置着叠层的基片的一侧24来观看的。包含着转换层3的叠层的顺序已经被颠倒了。这意味着，以从基片的表面开始的顺序，叠层包括存储氢的第一层9、传导氢的第二层7、和可转换层3。
叠层夹在导电电极层11和13之间。可光转换材料3通过改变氢密度而从反射光的状态转换到吸收光的状态。在导电层上施加直流电压改变了氢密度。
在叠层中，第二层包含电解质材料，例如ZrO2Hx，分离层5位于第二层7和可转换层3之间，而第一层9包含GdMgHx，由于这样的层而得到了良好结果。
图4是本发明的像素元件20的剖面图。叠层的顺序被颠倒(如图3A、3B中更详细地表示出的那样)且转换层3在有源矩阵元件22上延伸。因而电转换部件设置在相对于显示器可观看侧24来说的光转换材料层的后面。相反地，当转换层从反射状态转换到吸收状态时，有源矩阵元件22不可见。有源矩阵元件不再决定孔径，因而增大了孔径。
转换层3也隐藏了处于基片和转换层之间的传导层13。所以，传导层13不需要透明且可以包含金属，这改进了传导性。
由于不需要转换反射镜的透明状态，第二LMgHx层可以用作存储层(L表示Ni或Y或者其它镧系元素)。因此，氢存储层主要包含与可转换层相同的成分，但层中所含各种成分的相互的比率可与可转换层的不同。
这样的优点是存储层(9)可以更薄，因而缩短了氢的迁移时间，所以这是一个更快的显示器。而且，为了在反射和吸收状态之间转换，所需传输的电荷(H离子)减少了即，转换所需的电流减少了。一般地，对于100nm的薄Gd40Mg60氢化物层，把所有的氢从一层传输到另一层需要大约0.1C/cm2的电荷以便在透明和反射状态之间转换。对于只在反射和吸收状态之间转换的情况，必须传输的H更少(大约需要0.05C/cm2)。
这样的器件可以应用于只需要在反射和吸收状态之间转换的应用中。如果显示器器件的可观看侧24设有漫射箔，就会提高显示器的对比度。由于箔的存在，反射状态中的转换反射镜像素会呈白色，而吸收状态中的转换反射镜像素呈会黑色。这种类型的显示器可以用作例如文件阅读器。该原理与彩色滤光器结合将会产生全彩色文件阅读器。
另外，可以特意制造粗糙的反射层表面以产生希望的漫反射，从而提供白色或黑色的观看反射状态。
总之，本发明涉及一种转换时间更短的转换器件。该器件包括可转换层3，该器件通过改变可转换层3的氢含量而在反射和吸收状态之间转换。在导电层11、13上施加直流电压以改变氢含量。这些导电层11、13中间夹持着叠层，该叠层包括可转换层3和氢存储层9。氢存储层包含与可转换层3相同的成分，即，LMgHx，优选为GdMgHx。存储层可以作得薄，因而得到较短的氢传输时间和较快的显示器。还可以通过使用漫射箔来进一步改进该器件。
应当注意到，本发明不限于上述实施例的说明，本领域普通技术人员可以在不超出所附权利要求之范围的前提下设计出很多别的实施例。这尤其适用于与所引用的现有技术文件US-5 905 590中所述应用有关的实施例。在权利要求中，括号中的任何附图标记都不应该被认为是对权利要求的限制。动词“包括”及其变形不排除没有在权利要求中陈述的那些元件或步骤的存在。

Claims (6)

1.一种器件，它能可逆地至少在反射光的第一状态和吸收光的第二状态之间转换，所述器件包括叠层，叠层包括一个由可光转换材料制成的可转换层(3)，该层通过改变氢密度而从使第一状态转换成第二状态，叠层还包括存储氢的层(9)，该层含有的材料主要包括与可转换层(3)相同的成分。
2.一种如权利要求1所述的器件，其中该器件是一个显示器器件，该显示器器件具有能可逆地至少在反射光的第一状态和吸收光的第二状态之间转换的像素元件(20)，所述像素元件(20)包含所述叠层。
3.一种如权利要求2所述的器件，其中该器件具有可观看侧(24)，这一侧上设有漫射箔。
4.一种如权利要求2所述的器件，其中可转换层的表面被制造得粗糙以便漫射光线。
5.一种如权利要求1所述的器件，其中可光转换材料包含LMgHx，其中的L表示Ni，Sc或Y或者镧系元素。
6.一种如权利要求2所述的器件，其中显示器器件具有可观看侧(24)和用于转换所述可转换层(3)的电转换部件(22)，且其中的电转换部件(22)位于相对于显示器器件之可观看侧(24)来说的可转换层(3)的后面。
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